Differential gene expression response of synovial fibroblasts from temporomandibular joints and knee joints to dynamic tensile stress

Osteoarthritis-related ECM remodelling markers experience almost no changes in strain-induced gene expression, whereas inflammation and bone remodelling processes seem to differ depending on synovial fibroblast origin. Our data indicate that risk factors for the development and progression of osteoarthritis such as mechanical overuse have a different pathological impact in the TMJ compared to the knee joint. Zusammenfassung: HINTERGRUND: Mechanische Belastung von Gelenken kann abgesehen von anderen Risikofaktoren die Entwicklung von Osteoarthrose (OA) fördern. Dies kann auch das Kiefergelenk (TMJ) betreffen und zu Knorpeldegeneration und Synovitis führen. Synoviale Fibroblasten (SF) spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gelenkhomöostase und bei der OA-Pathogenese, aber je nach Art des Gelenks kann sich mechanische Belastung als Risikofaktor unterschiedlich auswirken. Wir untersuchten daher den relativen Einfluss von mechanischem Stress auf das Genexpressionsmuster von SF aus dem Kiefergelenk und dem Kniegelenk, um neue Erkenntnisse zur OA-Pathogenese zu gewinnen. Methoden: Aus Kiefer- und Kniegelenken von Mäusen isolierte primäre SF wurden mechanischer Belastung unterschiedlichen Ausmaßes ausgesetzt. Dabei wurde mittels RT-qPCR („quantitative real-time polymerase chain reaction“) die Expression von Markergenen der extrazellulären Matrix (ECM), der Entzündung und des Knochenumbaus analysiert. Ergebnisse: In SF aus den Kniegelenken war nach mechanischer Belastung die Expression von Genen, welche mit ECM-Umbau, Entzündung und Knochenumbau assoziiert sind, erhöht, während in aus Kiefergelenken isolierten SF die Expression von in Entzündung und Knochenumbauprozesse involvierten Genen reduziert war. Des Weiteren unterschieden sich während der mechanischen Belastung TMJ-SF und Kniegelenk-SF hinsichtlich der Expression von Markergenen für ECM, Entzündung und Förderung der Osteoklastogenese. Schlussfolgerungen: Osteoarthrosebezogene ECM-Remodellierungsmarker erfahren fast keine Veränderungen in der belastungsinduzierten Genexpression, wohingegen Entzündungs- und Knochenumbauprozesse in Abhängigkeit von der Herkunft der SF unterschiedlich beeinflusst zu sein scheinen. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Risikofaktoren für die Entwicklung einer OA und deren Fortschreiten, wie z. B. mechanische Überbeanspruchung, im TMJ einen anderen pathologischen Einfluss haben als im Kniegelenk.

Primary SF isolated from TMJs and knee joints of mice were exposed to mechanical strain of varying magnitudes. Thereafter, the expression of marker genes of the extracellular matrix (ECM), inflammation and bone remodelling were analysed by quantitative real-time polymerase chain reaction (RT-qPCR).

Apart from other risk factors, mechanical stress on joints can promote the development of osteoarthritis (OA), which can also affect the temporomandibular joint (TMJ), resulting in cartilage degeneration and synovitis. Synovial fibroblasts (SF) play an important role in upkeeping joint homeostasis and OA pathogenesis, but mechanical stress as a risk factor might act differently depending on the type of joint. We thus investigated the relative impact of mechanical stress on the gene expression pattern of SF from TMJs and knee joints to provide new insights into OA pathogenesis.

SF from the knee joints showed increased expression of genes associated with ECM remodelling, inflammation and bone remodelling after mechanical loading, whereas TMJ-derived SF showed reduced expression of genes associated with inflammation and bone remodelling. SF from the TMJ differed from knee-derived SF with regard to expression of ECM, inflammatory and osteoclastogenesis-promoting marker genes during mechanical strain. Conclusions: Osteoarthritis-related ECM remodelling markers experience almost no changes in strain-induced gene expression, whereas inflammation and bone remodelling processes seem to differ depending on synovial fibroblast origin. Our data indicate that risk factors for the development and progression of osteoarthritis such as mechanical overuse have a different pathological impact in the TMJ compared to the knee joint. Zusammenfassung: HINTERGRUND: Mechanische Belastung von Gelenken kann abgesehen von anderen Risikofaktoren die Entwicklung von Osteoarthrose (OA) fördern. Dies kann auch das Kiefergelenk (TMJ) betreffen und zu Knorpeldegeneration und Synovitis führen. Synoviale Fibroblasten (SF) spielen eine wichtige Rolle bei der Aufrechterhaltung der Gelenkhomöostase und bei der OA-Pathogenese, aber je nach Art des Gelenks kann sich mechanische Belastung als Risikofaktor unterschiedlich auswirken. Wir untersuchten daher den relativen Einfluss von mechanischem Stress auf das Genexpressionsmuster von SF aus dem Kiefergelenk und dem Kniegelenk, um neue Erkenntnisse zur OA-Pathogenese zu gewinnen. Methoden: Aus Kiefer- und Kniegelenken von Mäusen isolierte primäre SF wurden mechanischer Belastung unterschiedlichen Ausmaßes ausgesetzt. Dabei wurde mittels RT-qPCR („quantitative real-time polymerase chain reaction“) die Expression von Markergenen der extrazellulären Matrix (ECM), der Entzündung und des Knochenumbaus analysiert. Ergebnisse: In SF aus den Kniegelenken war nach mechanischer Belastung die Expression von Genen, welche mit ECM-Umbau, Entzündung und Knochenumbau assoziiert sind, erhöht, während in aus Kiefergelenken isolierten SF die Expression von in Entzündung und Knochenumbauprozesse involvierten Genen reduziert war. Des Weiteren unterschieden sich während der mechanischen Belastung TMJ-SF und Kniegelenk-SF hinsichtlich der Expression von Markergenen für ECM, Entzündung und Förderung der Osteoklastogenese. Schlussfolgerungen: Osteoarthrosebezogene ECM-Remodellierungsmarker erfahren fast keine Veränderungen in der belastungsinduzierten Genexpression, wohingegen Entzündungs- und Knochenumbauprozesse in Abhängigkeit von der Herkunft der SF unterschiedlich beeinflusst zu sein scheinen. Unsere Daten deuten darauf hin, dass Risikofaktoren für die Entwicklung einer OA und deren Fortschreiten, wie z. B. mechanische Überbeanspruchung, im TMJ einen anderen pathologischen Einfluss haben als im Kniegelenk.